JP3956746B2

JP3956746B2 - 固体高分子型燃料電池，セパレータ及びその製造方法

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Publication number: JP3956746B2
Application number: JP2002105918A
Authority: JP
Inventors: 賢史山賀; 友一加茂
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-04-09
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2022-04-09
Also published as: JP2003303597A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池にかかり、特に、固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池（ＰＥＦＣ）内でアノードガスとカソードガスを分離し、燃料電池内のガス流路を形成し、単電池の外殻を構成するセパレータは、腐食性雰囲気に曝されるため、化学的に安定な材料であること、材料自体の高い電子伝導性，機械的強度が必要とされ、一般には、緻密カーボングラファイト等のカーボン系材料が主に使用されている。
【０００３】
しかしカーボン製セパレータは、作製，成形，加工上の問題があるため、セパレータ製作コストが高くなるという問題がある。
【０００４】
このような問題を解決するものとして、金属板をプレス加工によりアノードガス流路とカソードガス流路を形成したセパレータが、例えば、特開平８−180883号公報などに挙げられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、金属板をプレス加工で形成したセパレータは、切削加工セパレータと比較したとき構造上の造形の問題からガス流路断面積の縮小が難しいという問題を有する。金属プレス板によるセパレータではプレスによってリブを作製し、隣接するリブ間でガス流路を形成する構造にするので、このガス流路を狭める構造を実現するには加工上難しく、結果として、電池内でガス線速を速めることは困難である。
【０００６】
また、電極拡散層とセパレータに設けられるセパレータリブの接触面積を確保するのが難しい。これは、電極拡散層とセパレータリブは電池内で外部からの締付け圧力により密着させるが、セパレータリブが密着していない部分であるガス流路部分では外部締付け圧力が電極拡散層に直接伝わらず、局部的に圧力抜けの状態になる。このような密着できていない部分では電極と電極拡散層の密着が不十分となり電子の流れが不連続になり、抵抗が高い状態になるという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、固体高分子型燃料電池の高コスト要因の一つであるセパレータ材料に、金属板を使用し、かつ、プレスという大量生産が可能となる加工法で基本構造を作製したセパレータからなる燃料電池を提供することにある。
【０００８】
本発明では、また、プレス加工によるセパレータを用いた固体高分子型燃料電池で、カーボン板の切削加工品と同等のセパレータ形状および電池性能を有する燃料電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のセパレータ又はそのセパレータを用いた燃料電池は、イオン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜に接触する電極と、アノードガス又はカソードガスを導く電極拡散層と、アノードガス又はカソードガスの供給ガスの混合を防ぐセパレータとを有し、セパレータは、波状の凸部リブを有し、凸部リブは電子導電性を有する波状電子伝導性板と、これを被覆する樹脂リブから構成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明のセパレータは、凸部リブと同一面内において隣接する他の凸リブ部との間に、樹脂を含んで構成された凸状ダミーリブを有していることを特徴とし、さらに、凸部リブの電子伝導性を有する面が、電子伝導性材料を含む均一層で被覆されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のセパレータに設けられるガス流路溝は、凸リブとそれに隣接した凸状ダミーリブとで形成されることを特徴とする。
【００１２】
さらに、本発明のセパレータは、凸部リブと凸状ダミーリブが形成されたセパレータブロックを複数有して構成され、平面的に連結されて屈曲したガス流路を形成することを特徴とする。
【００１３】
本発明のセパレータ又は燃料電池の製造方法は、金属板をプレス加工により波状に成形する第１の工程と、上記成形された金属板の凸部表面の少なくとも一部をリブ表面に露出させ、上記金属板の凸部の露出リブと同一面内で隣り合うリブとの間に樹脂を少なくとも含む材料を形成する第２の工程とを有し、上記第２の工程は、凸状ダミーリブが形成できる金型に配置する第３の工程と、樹脂材料を射出成形により上記成形された金属板と複合化させる第４の工程を有することを特徴とする。
【００１４】
また、他の製造方法は、あらかじめ形成したダミーリブと、ガス流路溝を複数有する複数の樹脂を少なくとも含む材料から成るリブピースと、平板状又は波状に加工した金属板とを圧着加工する第１の工程と、上記金属板の表面の一部をリブ表面に露出させ、上記露出リブの同一平面内で隣り合う上記露出リブとの間に少なくとも一つ以上の樹脂ダミーリブを形成する第２の工程を有することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
燃料電池（ＰＥＦＣ）内でアノードガスとカソードガスを分離し、燃料電池内のガス流路を形成し、単電池の外殻を構成するセパレータは、腐食性雰囲気に曝されるため、化学的に安定な材料であることが要求される。さらに材料自体の高い電子伝導性や、ある程度以上の機械的強度も有していなければならない。このような制約を考慮して、現在のＰＥＦＣセパレータには、緻密カーボングラファイト等のカーボン系材料が主に使用されている。
【００１６】
しかしカーボン製セパレータは、以下のような作製，成形，加工上の問題があるため、セパレータ製作コストは高くなる。
【００１７】
（１）カーボン系材料は樹脂等の焼成により得られるが、その温度は千数百度と、大きなエネルギーの投入を必要し、必然的に原材料が高くなること。
【００１８】
（２）セパレータにはガスや水蒸気の流路が必要となるが、上記カーボン系材料の硬度は高いために切削・加工が困難であること。
【００１９】
（３）隣接する電池のアノードガスとカソードガスの混合や、水素を含むアノードガスの電池外漏洩を防止するため、セパレータはそれ自身ガスを透過させてはならないが、上記カーボン系材料のガスセパレート能力は完全ではない。このためセパレータ形状に成形加工の後、フェノール樹脂等をカーボン製セパレータの空隙部に含浸させる工程が必要になる。
【００２０】
そこで、安価にセパレータを作製できる材料として金属材料の使用は有力である。特に金属板をプレス加工によりアノードガス流路とカソードガス流路を形成したセパレータは材料および加工コスト低減に効果的である。金属板を用いたセパレータの例としては特開平８−１８０８８３号公報などが挙げられる。
【００２１】
しかし、金属板をプレス加工で形成したセパレータは、切削加工セパレータと比較したとき構造上の造形の問題から電池性能の向上が困難である。その問題を以下に示す。
【００２２】
まず、第１に、ガス流路断面積の縮小が難しいことがある。つまり、固体高分子型燃料電池はカソード反応で水が生成する。生成水は電解質膜を湿潤させることにより膜の低イオン伝導性を維持するが、電極あるいは拡散層中に滞留すると供給ガスの拡散を妨げ、化学反応が円滑に進行できなくなるため電池の限界電流密度を低下させる。この現象を抑制するためには供給ガスの電池内でのガス線速を高め生成水を電池系外に運び去る方法が有効である。構造的にはガス流路を電池面内で屈曲させ、流路断面積を減少させる方法、例えばサーペンタイン形状を採用するのが一般的となっている。
【００２３】
金属プレス板によるセパレータではプレスによってリブを作製し、隣接するリブ間でガス流路を形成する。金属板に設けられるリブはアノード側とカソード側が必要なため、表と裏で周期的に凸部が繰り返される構造になる。表で凸部であれば裏面では凹部つまりガスが流れる流路として機能するため、このガス流路を狭める構造を実現するには加工上難しい。すなわち電池内でガス線速を速めることは困難である。
【００２４】
第２に、電極拡散層とセパレータリブの接触面積を確保するのが難しい。これは、電極拡散層とセパレータリブは電池内で外部からの締付け圧力により密着している。電極で反応に関与する電子は電極と電極拡散層およびセパレータリブを電池厚さ方向に通過する。このときセパレータリブが密着していない部分、つまりガス流路部分では外部締付け圧力が電極拡散層に直接伝わらず、局部的に圧力抜けの状態になる。この部分では電極と電極拡散層の密着が不十分となり電子の流れが不連続になる、つまり抵抗が高い状態になる。
【００２５】
このような部分を電池内でできるだけ減少させることが電池性能を確保する一つの方法であるが、金属プレス板セパレータでは上述の加工の困難さの理由により電極拡散層とセパレータリブの接触面積を拡大させることは困難である。
【００２６】
さらに金属板をプレスして凸部リブを形成する際、凸部分の端部は直角には形成できず、いくらかのアールを有した丸い形状となってしまう。丸いリブでは先端の平坦部面積は限られてしまうので、ほぼ直角のリブを造形できる切削加工に比較するとプレス加工はこの点でも不利になる。
【００２７】
上記課題を達成するために、発明者等は安価な金属系材料を簡便な加工法により燃料電池用セパレータを形成する方法及び金属板を用いたセパレータ及びそれを用いた燃料電池について以下に説明する。
【００２８】
本発明では、金属板などを波状に加工した波状電子伝導性板７と、波状電子伝導性板の凸部リブの電子伝導性を確保したまま、樹脂１を少なくとも含む材料によりガス流路溝であるアノードガス流路５及びカソードガス流路６を構成した複合セパレータによって、上記課題を達成することができる。
【００２９】
ここで用いる金属としては、電子伝導性が高く加工が容易な材料が望ましい。たとえば、鉄，銅，アルミニウム，錫，ニッケル，チタン，鉛，クロム，銀，金，白金，パラジウム，コバルト，亜鉛などが使用可能な材料として挙げられる。
【００３０】
また上記材料をベースにした合金材料や、上記材料にタングステンなどの各種遷移金属をドープした材料も使用することができる。
【００３１】
金属板に腐食生成物が発生すると電池の内部抵抗が増加するため使用材料は高耐食性を有することが望まれるが、この観点からはとくにステンレス材料や各種クラッド材、表面処理した鋼板を使用することが特に好ましい。
【００３２】
金属波板に組み合わせる樹脂材料としてはエポキシ樹脂，ポリイミド樹脂，ポリアミド樹脂，フェノール樹脂，ポリオレフィン系樹脂，ポリエステル系樹脂，ポリカーボネート樹脂，ポリスチレン系樹脂，ポリスルホン系樹脂，アクリル系樹脂，ポリフェニレンエーテル樹脂，ポリフェニレンスルファイド樹脂，ポリエーテルエーテルケトン樹脂などが使用できる。これらの樹脂は単独使用することも出来るし、二種以上組み合わせることももちろん可能である。
【００３３】
上記セパレータでは、波状電子伝導性板７の表面に形成された電子伝導性を有する凸部リブと、同一面内において隣接する電子伝導性を有する凸リブ部との間に、樹脂を少なくとも含む材料から構成された凸状ダミーリブ９が少なくとも一つ以上配置されることが望ましい。
【００３４】
ダミーリブを形成することによりガス流路断面積を減少させ電池内のガス線速を高めることができ、その結果反応ガスの拡散性向上が可能になる。
【００３５】
さらにはセパレータリブと電極３および拡散層２の接触面積が増加することにより締付け状態が良好になり、接触抵抗減少の効果が得られる。
【００３６】
本発明のセパレータは、その表裏に形成される凸状リブの先端面の電子伝導性を確保することで厚さ方向の導電性を有する。しかし長期間の発電により、凸状リブ先端面に腐食生成物が形成され抵抗が増加する可能性がある。
【００３７】
この現象を抑制するためには凸状リブの先端面に耐食性と電子伝導性を有する保護均一層１０で被覆すればよいことが分かった。保護均一層を採用することにより、長期発電試験でも内部抵抗が増加しない安定した電池の作製が可能になる。
【００３８】
本発明のセパレータはダミーリブを形成することによりガス流路断面積を減少できる。また、ダミーリブの形状変更によってガス流路に関するパラメーター制御が容易になる。ガス流路溝幅についてはセパレータリブと電極および拡散層の接触面積増加の点から小さい方が望ましい。ガス流路溝の深さはガスの線速を増大させるため、浅い方が望ましい。
【００３９】
発明者らの検討によって、ガス流路溝幅は１.２mm 以下、流路深さは１.０mm 以下に設計して作製したセパレータは、発電時の性能および寿命が改善されることが明らかとなった。
【００４０】
また、燃料電池を小型分散電源あるいは電気自動車用電源に用いる際には電池を配置するスペースユーティリティの観点からコンパクトなサイズが求められる。
【００４１】
このためには電池性能を向上させて出力密度を増加させるとともに構成材料の薄型化も進める必要がある。
【００４２】
本発明のセパレータは波状金属板の設計により薄型化に対応可能であるが、金属板板厚が厚いと曲げ加工部のアールが大きくなるため波状板の厚みが増大する。セパレータの厚みを２.５mm 以下にするためには０.４mm 以下の波状金属板を用いれば実現可能であることを見出した。このような薄型金属板の使用はセパレータ重量軽減の観点からも望ましい。
【００４３】
凸状リブの先端面に耐食性と電子伝導性を有する保護均一層は、抵抗増加を抑制するために有効であるが、セパレータの製作コストを低くするため、安価な材料を簡便な工程で層形成する必要がある。
【００４４】
電子伝導フィラーとしてカーボン粉体，バインダーとしてフッ素樹脂系材料および有機溶媒を用いてカーボンペーストを調整し、このペーストを凸状リブ先端面に塗布することを見出した。この方法により作製したセパレータは時間経過に伴う電子伝導部分の抵抗増加がほとんどないことがわかった。
【００４５】
波状金属板と少なくとも樹脂を含む材料から形成された凸状ダミーリブを有するセパレータの構成部分であるセパレータブロックを作製し、ガス流路を不連続にすることなくブロックを平面的に配置することで、ガス流路が電池面内で屈曲したサーペンタイン（蛇腹）型セパレータを作製することができる。
【００４６】
電池の限界電流密度向上のため本発明セパレータではガス流路断面積を大幅に減らすことができるサーペンタイン型ガス流路を採用した。
【００４７】
また本発明のセパレータではセパレータ形成材料の一部である樹脂に伝導性フィラーを添加することによりセパレータ自体の抵抗率を減少させている。
【００４８】
これにより内部抵抗が小さく、性能の良好な電池が実現できる。
【００４９】
樹脂に添加する伝導性フィラーは樹脂量に対して５ｗｔ％以上５５ｗｔ％以下が望ましい。フィラー量が５ｗｔ％よりも小さいと低抵抗化の効果が得られず、逆に５５ｗｔ％よりも過剰量を添加すると、セパレータとしての水素セパレート特性が低下してしまうためである。
【００５０】
従来は原材料，加工費ともに高コストであった緻密黒鉛板の切削加工セパレータに対し、主に波状金属板と樹脂から成り金属板凸部リブと樹脂ダミーリブを有する複合化セパレータの原材料コストは大幅に低い。
【００５１】
しかしセパレータとしての総コストを低減するためには生産性の高い連続的な作製方法が必要になる。
【００５２】
本発明のセパレータではあらかじめ作製したリブの形状に対応した金型に波状金属板を１枚もしくは複数枚セットした上で樹脂を射出しガス流路溝を形成する。同時に電極面の外側に位置するガスシール枠の形成も同時に完了するので効率的な生産が可能である。
【００５３】
さらには別の作製方法として、ダミーリブおよび一本もしくは複数本のガス流路溝を有する少なくとも樹脂を含む材料から成る樹脂リブピース片をあらかじめ複数個作製し、平板状もしくは波状に加工した金属板と圧着加工することにより、本発明のセパレータを効率的に作製することが可能となる。
【００５４】
以下実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５５】
（実施例１）
０.５mm 板厚のＳＵＳ３０４をプレス加工することで７mmピッチの波状凹凸を形成し、平板中央部に波状突起を有する電極面積９.８cm×９.８cm仕様のセパレータ基板を作製した。
【００５６】
これとは別にポリフェニレンサルファイド(ＰＰＳ）樹脂を加工し、長さ９.８cm，深さ１.２mm のガス流路溝１本を有する樹脂ピースを２８本作製した。
【００５７】
セパレータ基板の凸部先端面以外の面にエポキシ系接着剤を均一に塗布し、
２.９mm の間隔をおいて接着面を上方に向けて並べた１４本の樹脂ピース上に波状金属板を静置・圧着してアノードガス流路を形成した。
【００５８】
圧着完了後、別の樹脂ピース１４本を同様にして配置し、裏返した金属板を圧着・接合することで金属反対面にもカソードガス流路を形成した。
【００５９】
セパレータ基板の波状凸部周囲部分内部マニホールド孔を有する額縁状シールフレームをアノード側カソード側それぞれに接着し、ガスシール枠およびアノードマニホールド，カソードマニホールド，冷却水孔をセパレータ基板に形成した。
【００６０】
作製したセパレータはガス流路として長さ９.８cm ，ガス流路溝幅３.５mm，ガス流路溝深さ１.２mm ，流路本数１４本をアノード，カソード側に備え、その厚みは５.０mm であった。
【００６１】
デュポン社製のナフィオン膜（イオン交換容量０.９１meq／ｇ）表面にアノード（白金ルテニウム合金担持カーボン，０.５mgＰｔ−Ｒｕ／cm²）およびカソード（白金担持カーボン，０.３mg／cm²）を形成した電解質膜／電極接合体にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）分散水溶液を含浸，乾燥させることで撥水性を付与した厚さ０.４mm のカーボンペーパーを電極に重なるように配置し、本発明のセパレータ２枚をその外側に配置した。
【００６２】
さらに、表面に耐食処理を施した銅製集電板と、ＰＴＦＥ製絶縁シート，ステンレス製のエンドプレートを順じ積層し、最終的にボルトおよびナットで締付けて試験セルを作製した。
【００６３】
この試験セルを恒温槽にセットし、加熱のためのヒーター機能と備えたアノード・カソードガス供給ラインと、出口圧力調整弁と温度保温用ヒーターを有するガス出口ラインをそれぞれ接続した。
【００６４】
供給ガスへの加湿は液体用マスフローコントローラーを用いた。この試験セルに電子負荷器を接続し、温度７０℃，燃料利用率０.７５，酸素利用率０.４における電流−電圧データを採取した。また、電流密度０.２Ａ／cm²の定格負荷における電圧経時変化を測定した。
【００６５】
図２は実施例１を用いて組み立てた試験セルの部分断面図である。電極反応により生成／消費される電子は波状金属板を厚さ方向に流れる構造となっている。
【００６６】
（比較例１）
たて横ともに１３.５cmで厚さ５mmのＳＵＳ３０４板を用意し、中央部を９.８cm×９.８cmの電極部とみなし、ガス流路溝深さ１.２mm ，ガス流路溝幅３.５mm，長さ９.８cm のガス流路を切削加工にて形成し、金属セパレータを作製した。
【００６７】
本セパレータの形状は実施例１と同一のものである。本セパレータを用いて試験セルを作製し、実施例１と同様の装置にセットし、電流−電圧データおよび電流密度０.２Ａ／cm²の定格負荷における電圧経時変化を測定した。
【００６８】
図３に実施例１および比較例１の定格負荷における電圧経時変化測定結果を示す。比較例１では５００時間程度でセル電圧が急激に減少しているのに対し、実施例１では２０００時間程度までセル電圧を一定に保つことができた。これは比較例１では電池内のガス流路のすべてが金属から成るため、発電時の腐食性雰囲気のもとで金属イオンが溶出し、電解質膜材料とイオン交換して電池の内部抵抗を増加させるためである。一方、実施例１は拡散層に接触する面以外の金属部は樹脂に覆われており、それだけ溶出する金属イオンを抑制できるため、セル電圧安定化が可能になったと考えられる。
【００６９】
（実施例２）
ＰＰＳ樹脂を加工し、長さ９.８cm ，深さ１.２mm ，溝幅１.３５mm のガス流路溝２本と、長さ９.８cm ，深さ１.２mm ，幅０.８mm のダミーリブ１本を有する樹脂ピースを２８本作製した。
【００７０】
実施例１と同様にして作製したセパレータ基板のアノード，カソード側それぞれの凸部に沿って樹脂ピースを圧着し、さらにガスシール枠を接着しセパレータを形成させた。
【００７１】
本セパレータは、ガス流路として長さ９.８cm ，ガス流路溝幅１.３５mm ，ガス流路溝深さ１.２mm ，流路本数２８本をアノード，カソード側に備え、その厚みは５.０mm であった。
【００７２】
本セパレータを用いて試験セルを作製し、実施例１と同様の装置にセットし、同条件で電流−電圧データを測定した。
【００７３】
図４に実施例１および実施例２の電流−電圧曲線を示す。実施例１に対し、実施例２は電流密度に対する電圧減少が小さいことが分かる。これは、実施例２で形成したダミーリブによってガス流路の断面積を調節することができ、電池内を流れるガス線速を速めることによって電極反応の反応抵抗を減少することができたためと推察される。
【００７４】
（実施例３）
実施例２と同様にして作製したセパレータの電子伝導性を有する両極のリブ先端面に金ペーストをスクリーン印刷し、１時間自然乾燥させた。乾燥後の金ペースト層を測定すると約３０μｍであった。
【００７５】
このセパレータを用いて作製した試験セルの電流−電圧データを採取した。
【００７６】
また、電流密度０.２Ａ／cm²の定格負荷における電圧経時変化を測定した。
【００７７】
図５に実施例１および実施例３の定格負荷における電圧経時変化測定結果を示す。実施例３はセパレータ凸部リブの電子伝導性を有する面に、金ペースト層を被覆し、ＳＵＳ３０４の溶解反応の抑制を図っている。この結果、実施例１は２０００時間でセル電圧の低下が見られたのに対し、実施例３では４０００時間程度まで性能維持が可能になっている。
【００７８】
（実施例４）
ＰＰＳ樹脂を加工し、長さ９.８cm ，深さ１.０mm ，溝幅１.３５mm のガス流路２本と、長さ９.８cm ，深さ１.２mm ，幅０.８mm のダミーリブ１本を有する樹脂リブピース１７を２８本作製した。
【００７９】
実施例１と同様にして作製したセパレータ基板のアノード，カソード側それぞれの凸部に沿って樹脂ピースを圧着し、さらにガスシール枠を接着しセパレータを形成させた。さらに電子伝導性を有する両極のリブ先端面に金ペーストをスクリーン印刷し、１時間自然乾燥させることにより均一層を形成した。
【００８０】
本セパレータは、ガス流路として長さ９.８cm ，ガス流路溝幅１.３５mm ，ガス流路溝深さ１.０mm ，流路本数２８本をアノード，カソード側に備え、その厚みは５.０mm であった。
【００８１】
本セパレータを用いて試験セルを作製し、実施例１と同様の装置にセットし、同条件で電流−電圧データを測定した。
【００８２】
（実施例５）
ＰＰＳ樹脂を加工し、長さ９.８cm ，深さ１.０mm ，溝幅１.２mm のガス流路２本と、幅１.１mm のダミーリブ１本を有する樹脂ピースを２８本作製した。
【００８３】
実施例１と同様にして作製したセパレータ基板のアノード，カソード側それぞれの凸部に沿って樹脂ピースを圧着し、さらにガスシール枠を接着しセパレータを形成させた。さらに電子伝導性を有する両極のリブ先端面に金ペーストをスクリーン印刷し、１時間自然乾燥させることにより均一層を形成した。
【００８４】
本セパレータは、ガス流路として長さ９.８cm ，ガス流路溝幅１.２mm ，ガス流路溝深さ１.０mm ，流路本数２８本をアノード，カソード側に備え、その厚みは５.０mm であった。
【００８５】
本セパレータを用いて試験セルを作製し、実施例１と同様の装置にセットし、同条件で電流−電圧データを測定した。
【００８６】
図６に実施例３，４、および５のセル電圧０.７Ｖにおける電流密度値を示す。１.２mm の流路溝深さを有する実施例３に対し、流路溝深さを１.０mm とした実施例４は電池性能の向上が確認された。また、流路幅を１.３mm から１.２mm へ縮小した実施例５では電流密度のさらなる増加が測定された。これは図４における考察と同様にガス線速を速めたことによる影響と考えられる。
【００８７】
（実施例６）
実施例５と同様にして樹脂ピースを２８本作製した。
【００８８】
０.３mm 板厚のＳＵＳ３０４をプレス加工することにより７mmピッチで厚さ２.５mm の波状凹凸を形成し、平板中央部に波状突起を有する電極面積９.８cm×９.８cm 仕様のセパレータ基板を作製した。
【００８９】
実施例１と同様にして作製したセパレータ基板のアノード，カソード側それぞれの凸部に沿って樹脂ピースを圧着し、さらにガスシール枠を接着しセパレータを形成させた。さらに電子伝導性を有する両極のリブ先端面に金ペーストをスクリーン印刷し、１時間自然乾燥させることにより均一層を形成した。
【００９０】
本セパレータは、ガス流路として長さ９.８cm ，ガス流路溝幅１.２mm ，ガス流路溝深さ１.０mm ，流路本数２８本をアノード，カソード側に備え、その厚みは２.５mm であった。
【００９１】
本セパレータを用いて試験セルを作製し、実施例１と同様の装置にセットし、電流密度０.２Ａ／cm²の定格負荷における電圧経時変化を測定した。
【００９２】
図７に実施例５および実施例６のセパレータの厚さを示す。波状金属板の板厚を薄型化することによりセパレータ全体の厚みを顕著に減少できることがわかる。
【００９３】
（実施例７）
実施例６と同様にセパレータ基板と樹脂ピースを圧着させセパレータを作製した。
【００９４】
伝導性フィラーとして粒径が２０ｎｍよりも小さなカーボンブラックを１５ｗｔ％、バインダーとしてＰＶＤＦを２０ｗｔ％、溶媒としてＮ−メチルピロリドン６５ｗｔ％を混合して室温条件で３時間攪拌し、カーボンペーストを作製した。
【００９５】
電子伝導性を有する両極のリブ先端面にカーボンペーストをスクリーン印刷し、１４０℃で３時間減圧乾燥させることにより均一層を形成した。このときのカーボン層の厚みは３３μｍであった。
【００９６】
本セパレータは、ガス流路として長さ９.８cm ，ガス流路溝幅１.２mm ，ガス流路溝深さ１.０mm ，流路本数２８本をアノード，カソード側に備え、その厚みは２.５mm であった。
【００９７】
本セパレータを用いて試験セルを作製し、実施例１と同様の装置にセットし、電流−電圧データおよび電流密度０.２Ａ／cm²の定格負荷における電圧経時変化を測定した。さらにセパレータ厚み方向の面抵抗を測定した。
【００９８】
図１に実施例７を用いた試験セルの部分断面図および用いた樹脂リブの断面図を示す。拡散層と接する部分のリブ先端面にはカーボンとバインダーを含む均一層でコーティングされているために、金属イオンの溶出抑制およびその耐久性に特に優れている。
【００９９】
実施例７および実施例６を用いた試験セルの定格負荷における電圧経時変化測定結果を図８に示す。実施例６で用いているリブ先端面の均一層は金ペーストを塗布，乾燥させた層であるために、発電時間の経過とともに徐々に金ペースト層自体が溶解し、ついにはセパレータを形成するＳＵＳ３０４からの金属イオン溶出が抑制できなくなる。その結果、４０００時間ほどで電池性能低下が見られるが、均一層に高安定なカーボンペースト層を用いた実施例７では金属イオンの溶出が長期間にわたって抑えられるため、８０００時間程度までの寿命向上が確認できた。
【０１００】
（実施例８）
２つの三角形，１つの平行四辺形，２つの台形型に粗加工した０.３mm 板厚のＳＵＳ３０４をプレスして７mmピッチで厚さ２.５mm の波状凹凸をそれぞれの板に形成した（１２，１３，１４，１５，１６）。これらの波板は組み合わせると９.８×９.８cm² の正方形となり、かつ、対角位置部に配置したガス内部マニホールドから電池面内に供給された反応ガスが２回１８０度流れる方向を転回する構造であり、図９に示すようになる。
【０１０１】
このようにして作製した複数のセパレータ基板のアノード，カソード側それぞれの凸部に沿って樹脂ピースを圧着した。樹脂ピースは波板形状に対応してあらかじめ粗加工した後に圧着工程を行い、その後最終的な形状仕上げを行った。
【０１０２】
５つのセパレータ基板を正方形状に接着し、さらにガスシール枠を接着することでセパレータを形成させた。両極のリブ先端面に実施例７と同様に作製したカーボンペーストをスクリーン印刷し、１４０℃で３時間減圧乾燥させることにより均一層を形成した。カーボン層の厚みは３１μｍであった。
【０１０３】
本セパレータは、ガス流路として長さ３０.３９cm ，ガス流路溝幅１.２mm ，ガス流路溝深さ１.０mm ，流路本数１０本をアノード，カソード側に備え、その厚みは２.５mm であった。
【０１０４】
本セパレータを用いて試験セルを作製し、実施例１と同様の装置にセットし、電流−電圧データを測定した。
【０１０５】
図９に実施例８で作製したセパレータ電極面の平面図を示す。本セパレータは５つの部分ブロックから構成されており、反応ガスが２回１８０度流れる方向を転回する構造となっている。この結果、ガス流路本数が２８本から１０本に減少することができるためガス線速増加が可能となる。また、このようなセパレータのようにブロック部品に分けた構造によれば、ガス流路本数を減らすことができ、加工性を向上させることができる。
【０１０６】
図１０は実施例７および実施例８を用いて作製した試験セルの電流−電圧曲線を測定した結果である。ガス流路断面積を大幅に減少させた実施例８では高電流密度においてもセル電圧減少が小さくなり、限界電流密度の大幅向上が確認された。
【０１０７】
（実施例９）
ＰＰＳ樹脂に対し、粒径２０ｎｍ以下のカーボンブラック４５ｗｔ％を添加し、これらを原料として樹脂ピースを作製し、実施例７と同様にしてセパレータ基板と樹脂ピースを圧着させセパレータを作製した。
【０１０８】
電子伝導性を有する両極のリブ先端面に実施例７と同様にしてカーボンペーストをスクリーン印刷し、１４０℃で３時間減圧乾燥させることにより均一層を形成した。カーボンペースト層の厚みは３２μｍであった。
【０１０９】
本セパレータは、ガス流路として長さ９.８cm ，ガス流路溝幅１.２mm ，ガス流路溝深さ１.０mm ，流路本数２８個をアノード，カソード側に備え、その厚みは２.５mm であった。
【０１１０】
本セパレータを２枚の銀板で挟み１.０ＭＰａの締付け荷重を加えながら銀板間の抵抗を１ＫＨｚ交流抵抗測定装置で計測した。
【０１１１】
図１１に実施例７および実施例９のセパレータ抵抗値の相対比較値を示す。実施例９ではセパレータ自体の抵抗低減が確認された。これは樹脂にカーボンブラックを添加したことによりセパレータを流れる電子のパスが増加したためである。セパレータの抵抗が減少すれば電池の内部抵抗も減るため、電池性能の向上が期待できる。
【０１１２】
【発明の効果】
本発明によれば、長い時間セル電圧を一定に保つことができる。
【０１１３】
また、本発明によれば、金属セパレータの拡散層に接触する面以外は樹脂で覆われているので、金属イオンの溶出を抑制し、内部抵抗を増加させにくくでき、耐久性を向上させることができる。
【０１１４】
さらに、本発明では、ガス流路の断面積又は表面積を少なくなるように調整することが可能となり、ガスの線速を早めることができる。これによって、電極反応の反応抵抗を減少でき、電流密度に対する電圧減少を小さくすることができる。また、これは、電流密度を増加させるので、電池性能が向上する。
【０１１５】
本発明では、セパレータ全体の厚み、ひいては、電池セルの大きさ及び燃料電池の大きさを小さく保つことが可能になる。
【０１１６】
本発明によれば、ガス流路本数を減らすことができ、加工性を向上させることができる。また、これによれば、高電流密度においてもセル電圧減少が小さくなり、限界電流密度を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電池の概略構造を示す図および用いた樹脂リブの断面図。
【図２】本発明の別形態であるところの電池の概略構造を示す図。
【図３】本発明の実施例１と比較例１のセル電圧の経時変化を比較した図。
【図４】本発明の実施例１および２の電流−電圧曲線を比較した図。
【図５】本発明の実施例１および３のセル電圧の経時変化を比較した図。
【図６】本発明の実施例３，４および５の０.７Ｖにおける電流密度を比較した表。
【図７】本発明の実施例５および６のセパレータ厚さを比較した表。
【図８】本発明の実施例６および７のセル電圧の経時変化を比較した図。
【図９】本発明の実施例８のセパレータにおける電極部分の平面図。
【図１０】本発明の実施例７および８の電流−電圧曲線を比較した図。
【図１１】本発明の実施例７および９のセパレータの厚さ方向における相対抵抗値を示した表。
【符号の説明】
１…樹脂または樹脂リブまたはセパレータリブ、２…拡散層、３…電極、４…電解質膜、５…アノードガス流路、６…カソードガス流路、７…波状電子伝導性板、８…セパレータ、９…ダミーリブ、１０…均一被覆層、１１…電子伝導性を有するリブ先端面、１２…台形セパレータ部品Ａ、１３…台形セパレータ部品Ｂ、１４…三角形セパレータ部品Ｃ、１５…三角形セパレータ部品Ｄ、１６…平行四辺形セパレータ部品、１７…樹脂リブピース。

Claims

イオン伝導性を有する電解質膜と、前記電解質膜に接触する電極と、アノードガス及びカソードガスの混合を防ぐセパレータとを有し、前記セパレータは、波状の凸部を有する波状電子伝導性板であって、前記波状電子伝導性板は樹脂で被覆された凸部リブを形成し、前記波状の凸部の一部が露出しており、樹脂を含むダミーリブが複数の前記凸部リブの間に形成されていることを特徴とする燃料電池。
イオン伝導性を有する電解質膜と、前記電解質膜に接触する電極と、前記電極に接触する拡散層と、アノードガス及びカソードガスの混合を防ぐセパレータとを有し、
前記セパレータは、電子伝導性板と、前記電子伝導性板の表裏に前記拡散層と接触する樹脂リブを有し、前記樹脂リブと前記拡散層との間に、前記アノードガス及びカソードガスのガス流路を形成し、
前記電子伝導性板は、凸部を有する波状電子伝導性板であって、
前記凸部の先端面は、前記樹脂リブから露出しており、電子伝導性材料を含む層で被覆されていることを特徴とする燃料電池。
前記凸部リブと前記ダミーリブとで形成されるガス流路溝、又は、複数の前記ダミーリブによって形成されるガス流路溝の深さの１／２における流路幅が１.２mm よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記凸部リブと前記ダミーリブとで形成されるガス流路溝、又は、複数の前記ダミーリブによって形成されるガス流路溝の深さは、１.０mm よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記電子伝導性材料は、少なくともカーボン材料を含むことを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
前記ダミーリブが、前記凸部リブと反対側に形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。